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電動汽車動力電池模組低溫加熱實驗
2022-01-17 19:42:24· 來源：電動學(xué)堂 作者：李駿等
文章來源:1.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院2.華東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室3.江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司動力鋰離子電池的充放電性能?續(xù)航
文章來源:1.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院2.華東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室3.江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司
動力鋰離子電池的充放電性能?續(xù)航里程和使用壽命等,均對服役溫度的變化很敏感?鋰離子動力電池在低溫下的充放電性能會嚴(yán)重下降,充電時容易導(dǎo)致鋰析出,甚至形成鋰枝晶,誘發(fā)電池隔膜破裂,導(dǎo)致電池內(nèi)部短路從而失效,嚴(yán)重威脅汽車和駕駛者的安全?這使得鋰離子電池乘用車得不到更進(jìn)一步的發(fā)展,尤其是在高寒地區(qū)的普及應(yīng)用?對動力鋰離子電池進(jìn)行低溫加熱,需要提升充放電性能,保證溫度均勻性,并防止析鋰現(xiàn)象和安全事故的發(fā)生?
衡量動力鋰離子電池低溫加熱性能的參數(shù)主要有升溫速率和均溫性,但以往的研究主要通過監(jiān)測單體之間的溫差來衡量電池包或電池模組內(nèi)部的均溫性,較少考察單體內(nèi)部與表面之間的溫差?加熱過程中單體電芯內(nèi)部有可能未達(dá)到電池管理系統(tǒng)(BMS)開啟充電的最低溫度,從而造成安全隱患?
本文作者在制作單體電芯時內(nèi)置熱電偶,以監(jiān)測加熱過程中單體電芯內(nèi)部溫度變化過程,為深入研究動力鋰離子電池低溫加熱性能提供數(shù)據(jù)支撐,對制定更加精準(zhǔn)的動力鋰離子電池加熱策略具有實際意義?
1實驗
1.1實驗測試條件
實驗采用動力鋰離子電池(鎮(zhèn)江產(chǎn),3.67V/52Ah),正極材料為鎳鈷錳酸鋰(LiNiMnCoO2),負(fù)極材料為石墨,充放電工作溫度為-30~55℃,尺寸為148.2mm×26.7mm×101.0mm?采用的加熱元件為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC,東莞產(chǎn)),額定功率為100W,額定電壓為60V,內(nèi)阻為35.93Ω,尺寸為368mm×155mm×2mm,電源由外部提供?加熱實驗主要采用3類箱體,包括泡沫箱體?塑料箱體?塑料箱體加隔熱棉?泡沫箱體內(nèi)尺寸為500mm×280mm×200mm,箱體厚度為20mm?塑料箱體內(nèi)尺寸為580mm×420mm×310mm,箱體厚度為2mm?隔熱棉置于電芯底部與加熱膜(PTC材料)之間,厚度為5mm?模組電芯布置如圖1所示,用TP720拓普瑞無紙記錄儀(深圳產(chǎn))記錄電池溫度數(shù)據(jù)?該記錄儀采用輸入的采集模塊,能同時采集溫度(熱電偶?熱電阻)?濕度?壓力?流量和液位等參數(shù)?
實驗電池組由12只單體電池串聯(lián)而成,電芯底部安裝加熱膜?實驗時,電池完全密封置于箱體內(nèi)?
1.2實驗測試方案
將電池在-20℃下靜置,直至所有電芯內(nèi)部熱電偶溫度達(dá)到環(huán)境溫度(-20±2)℃;采用100W的功率加熱,直至所有極耳溫度達(dá)到10℃,停止加熱;恢復(fù)至室溫后,將電池在-10℃下靜置,直至所有電芯內(nèi)部熱電偶溫度達(dá)到環(huán)境溫度(-10±2)℃;采用100W的功率加熱,直至所有極耳溫度達(dá)到10℃,停止加熱?加熱結(jié)束后關(guān)閉加熱元件,采集各溫度點的加熱數(shù)據(jù)?
2結(jié)果與討論
為研究箱體對電芯升溫速率的影響,將電芯分別置于泡沫箱和塑料箱內(nèi),在-10℃和-20℃下進(jìn)行加熱實驗,測量大面底部?模組內(nèi)部?大面中心?正負(fù)極耳等的溫度數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析處理?
2.1箱體對電芯升溫速率的影響
2.1.1泡沫箱體
環(huán)境溫度為-20℃?-10℃時,所需的加熱時間分別為62.3min?44.7min?不同溫度下泡沫箱體內(nèi)電芯加熱溫升和升溫速率如圖2所示?
從圖2可知,對于1號電芯,大面底部在-20℃時溫升最大,為37.90℃,在-10℃時升溫速率最快,為36.96℃/h;負(fù)極耳在-10℃時溫升最小,為23.20℃,升溫速率也最慢,為27.59℃/h,溫升及升溫速率從大面底部到正負(fù)極耳逐漸遞減?對于6號電芯,大面底部在-20℃時溫升最大,達(dá)到了40.30℃,在-10℃時升溫速率最快,為29.20℃/h;負(fù)極耳在-10℃時溫升最小,為23.20℃,升溫速率也最慢,為29.78℃/h,溫升及升溫速率逐漸遞減?環(huán)境溫度為-20℃時,電池組的溫差為2.60℃,升溫速率相差2.35℃/h;環(huán)境溫度為-10℃時,電池組的溫差為1.40℃,升溫速率相差1.80℃/h,升溫速率中間快兩邊慢,表現(xiàn)出一定的不均勻性?綜上所述,對于同一電芯,溫升從大到小依次為大面底部?大面中心?內(nèi)部和極耳,從大面底部到正負(fù)極耳逐漸遞減,表現(xiàn)出一定的溫度梯度,因此以極耳為最低加熱溫度的策略較為可靠?不同溫度下加熱的升溫速率差別很小,同一部位在不同溫度下的升溫速率大致相同?在泡沫箱體中,極耳的升溫速率平均相差1.00℃/h?
2.1.2塑料箱體
-20℃?-10℃的加熱時間分別為83.0min?49.2min,各電芯的加熱溫升及升溫速率見圖3?
從圖3可知,塑料箱的溫升梯度與泡沫箱體類似,相比于泡沫箱體,塑料箱體的模組溫升高3.00~4.00℃,但升溫速率卻低2.00~3.00℃/h?泡沫箱體各電芯內(nèi)部在-10℃和-20℃的加熱升溫速率基本一致,而塑料箱體在-10℃下的加熱升溫速率明顯大于-20℃?塑料箱體的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)好于泡沫箱體,使箱體內(nèi)部環(huán)境溫度與外部環(huán)境溫度一致?
在塑料箱體中,極耳升溫速率平均相差3.00~4.00℃/h,因此電池包的殼體采用塑料箱體為佳?
2.2隔熱棉對電芯升溫速率的影響
-20℃?-10℃的加熱時間分別為63.0min?45.0min,圖4和圖5分別為隔熱棉對塑料箱體加熱溫升及升溫速率的影響?
從圖4?圖5可知,帶隔熱棉的最高溫升在6號電芯內(nèi)部,為34.30℃,最高升溫速率也在6號電芯內(nèi)部,為33.03℃/h;無隔熱棉的最高溫升在6號電芯內(nèi)部,為36.30℃,最高升溫速率也在6號電芯內(nèi)部,為32.86℃/h?模組中部電芯升溫速率高于兩側(cè),說明模組電芯底部受熱不均?加隔熱棉后,模組內(nèi)部溫升下降1.00~2.00℃,但升溫速率上升1.00℃/h,這是由于隔熱棉的隔熱作用?在塑料箱體內(nèi)部加隔熱棉,能達(dá)到與電池包箱體內(nèi)部相同的導(dǎo)熱環(huán)境?
3數(shù)值模擬
3.1數(shù)學(xué)模型
PTC材料具有正溫度系數(shù),當(dāng)溫度超過某一數(shù)值時,隨著溫度上升,電阻率以指數(shù)形式增大,生熱功率急劇下降?鋰離子電池組采用PTC材料來加熱,加熱過程中動力電池不進(jìn)行充放電?若將電池模塊作為整體進(jìn)行考慮,電池?zé)崃繚M足式(1):
式(1)中:Q為加熱膜產(chǎn)生的總熱量;Q為電池模塊本身吸收的熱量;Qba和Qha分別為電池?加熱膜與環(huán)境交換的熱量?
電池吸收的熱量用式(2)表示:
式(2)中:mi?Cpi?ΔTi分別為第i只電池單體的質(zhì)量?比熱容和溫度變化;N為電池單體數(shù)量?
若在絕熱環(huán)境下,電池?加熱膜與外界交換的熱量為0,
即Qba=Qha=0,則式(2)可化簡為:
在實際過程中,電池不可能處在絕熱環(huán)境,一定存在著熱量的傳遞?熱傳遞主要有3種基本形式,分別為熱輻射?熱對流和熱傳導(dǎo)?
電池的熱輻射主要發(fā)生在表面,與表面材料的性質(zhì)有關(guān),可用斯特藩?玻爾茲曼(Stefan?Boltzmann)修正經(jīng)驗公式描述輻射傳熱能力?在密閉容器內(nèi),物體單位時間?單位面積對外發(fā)射的輻射熱量的計算公式見式(4)?
熱對流只有在流體中才會存在,且伴隨著流體分子運動產(chǎn)生熱的傳導(dǎo)?動力電池周圍充滿空氣,在加熱過程中,空氣的流動會與電池和加熱膜產(chǎn)生對流換熱?
熱對流的基本計算用牛頓公式表示為:
式(5)中:φ為熱流量,W;A為面積,m;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m·K4);Tw?Tf分別為壁面溫度和流體溫度,K?
熱傳導(dǎo)的形成有兩個條件:存在溫差;必須直接接觸?
在PTC加熱過程中,加熱膜與動力電池底部直接接觸,因此熱傳導(dǎo)是動力電池底面加熱過程中熱量傳遞的主要方式,熱傳導(dǎo)過程服從傅里葉定律:
式(6)中:負(fù)號表示熱傳遞方向與溫度傳遞的正方向相反;q為熱量的傳導(dǎo)量,W/m;比例系數(shù)λ為導(dǎo)熱系數(shù)(或?qū)崧?,W/(m·K);θ為溫度;n為導(dǎo)熱面長度,m;箭頭表示方向;grad(θ)是空間某點的溫度梯度?
動力電池在PTC加熱過程中,通過熱輻射傳遞的熱量非常少,因此本文作者主要考慮其他兩種熱傳遞方式:熱傳導(dǎo)和熱對流?
在仿真建模前,需建立電池的導(dǎo)熱微分方程?實驗忽略一些次要因素,簡化假設(shè)如下:①所研究的物體是各向同性的連續(xù)介質(zhì);②該物體的導(dǎo)熱系數(shù)?比熱容和密度等物性參數(shù)均已獲得;③內(nèi)熱源在物體內(nèi)部空間均勻分布?
據(jù)此,建立常物性?三維?內(nèi)置熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程:
式(7)中:τ為加熱時間,s;?為內(nèi)熱源強(qiáng)度,W/m;ρ為電池平均密度,kg/m;c為電池比熱容,J/(kg·℃);?x??y和?ｚ 表示空間ｘ、ｙ 和ｚ 軸的積分。
3.2物理模型
針對塑料箱體所密封的模組,進(jìn)行-10℃環(huán)境下的低溫加熱仿真分析,利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代軟件工程技術(shù)(STAR?CCM)+劃分網(wǎng)格,如圖6所示,之后與實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗證仿真的準(zhǔn)確度?
3.3計算條件
計算時,認(rèn)為電池間無縫隙環(huán)境溫度為電池對流換熱系數(shù)為6W/(m2·℃),密度為2255kg/m3,比熱容為980J/(kg·℃)?導(dǎo)熱系數(shù)x軸和y軸相同,設(shè)置為2.732W/(m·℃),z軸設(shè)置為0.913W/(m·℃)?
4計算結(jié)果與分析
將實驗測試結(jié)果和仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比,如圖7?圖8所示?
從圖7?圖8可知,仿真計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果吻合良好,但仿真計算值略高于實驗測試值?這是因為模型不考慮內(nèi)部熱損失,邊界條件考慮得較理想,自然對流換熱系數(shù)與實驗環(huán)境有差異?模型計算過程中可以發(fā)現(xiàn),在加熱初始階段,電芯溫度基本相同,隨著加熱過程的進(jìn)行,各電芯溫升表現(xiàn)出一定的差異性,由大到小依次為電芯大面底部?大面中心?電池內(nèi)部和正負(fù)極耳?這與實驗測試結(jié)果的變化規(guī)律吻合?
5結(jié)論
為研究電池低溫加熱過程中模組和電芯內(nèi)部均溫性,本文作者分別通過實驗和數(shù)值模擬兩種方法,采用PTC加熱元件對有無隔熱棉的塑料箱和泡沫箱內(nèi)的電池模組進(jìn)行加熱,結(jié)果表明:
在相同環(huán)境溫度和加熱功率下,對于同一電芯,溫升最大為大面底部,大面中心第二,內(nèi)部次之,極耳最小;從下部到上部逐漸遞減,表現(xiàn)出一定的溫度梯度?
不同溫度下加熱速率的差值很小,同一部位在不同溫度下的升溫速率大致相同;在泡沫箱體中,極耳升溫速率平均相差1.00℃/h,在塑料箱體中,極耳升溫速率平均相差3.00~4.00℃/h?
塑料箱體的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)大于泡沫箱體,致使箱體內(nèi)部環(huán)境溫度基本與箱體外部環(huán)境溫度一致;通過仿真得到電池溫升趨勢與實驗相同?
在加熱過程中,極耳溫度一直處于最小值,這表明以極耳溫度作為加熱開啟溫度的最低溫度策略,較為可靠?
該研究為指導(dǎo)實際電動汽車動力電池低溫加熱策略設(shè)計提供了一定的理論依據(jù),對電動汽車向低溫區(qū)域推廣應(yīng)用具有現(xiàn)實意義?
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